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电缆调制解调器 发布于:

电缆调制解调器(Cable Modem,CM),Cable是指有线电视网络,Modem是调制解调器。平常用Modem通过电话线上互联网,而电缆调制解调器是在有线电视网络上用来上互联网的设备,它是串接在用户家的有线电视电缆插座和上网设备之间的,而通过有线电视网络与之相连的另一端是在有线电视台(称为头端:Head-End)。它把用户要上传的上行数据以5-65M的频率以QPSK或16QAM的调制方式调制之后向上传送,带宽2-3M左右,速率从300到10Mbps。它把从头端发来的下行数据,解调的方式是64QAM或256QAM,带宽6-8M,速率可达40Mbps。

电缆调制解调器又名线缆调制解调器,英文名称CableModem,它是近年随着网络应用的扩大而发展起来的,主要用于有线电视网进行数据传输。Cable Modem接入技术在全球尤其是北美的发展势头很猛,每年用户数以超过100%的速度增长,在中国,已有广东、深圳、南京等省市开通了Cable Modem 接入。它是电信公司xDSL技术最大的竞争对手。在未来,电信公司阵营鼎力发展的基于传统电话网络的xDSL接入技术与广电系统有线电视厂商极力推广的Cable Modem 技术将在接入网市场(特别是高速Internet接入市场)展开激烈的竞争。在中国,广电部门在有线电视(CATV)网上开发的宽带接入技术已经成熟并进入市场。CATV网的覆盖范围广,入网户数多(据统计,1999年1月全国范围的有线电视用户已超过一亿);网络频谱范围宽,起点高,大多数新建的CATV网都采用光纤同轴混合网络(HFC网),使用550MHZ以上频宽的邻频传输系统,极适合提供宽带功能业务。电缆调制解调器(Cable Modem )技术就是基于CATV(HFC)网的网络接入技术。

CableModem与以往的Modem在原理上都是将数据进行调制后在Cable(电缆)的一个频率范围内传输,接收时进行解调,传输机理与普通Modem相同,不同之处在于它是通过有线电视CATV的某个传输频带进行调制解调的。而普通Modem的传输介质在用户与交换机之间是独立的,即用户独享通讯介质。CableModem属于共享介质系统,其它空闲频段仍然可用于有线电视信号的传输。

CableModem彻底解决了由于声音图像的传输而引起的阻塞,其速率已达10Mbps以上,下行速率则更高。而传统的Modem虽然已经开发出了速率56Kbps的产品,但其理论传输极限为64Kbps,再想提高已不大可能。

CableModem也是组建城域网的关键设备,混合光纤同轴网(HFC)主干线用光纤,光结点小区内用树枝型总线同轴电缆网连接用户,其传输频率可高达550/750MHz。在HFC网中传输数据就需要使用CableModem。

可以看出CableModem是未来网络发展的必备之物,但是,尚无CableModem的国际标准,各厂家的产品的传输速率均不相同。因此,高速城域网宽带接入网的组建还有待于CableModem标准的出台。

缆线系统原本就是设计用来有效率地传送电视节目至使用者的家中,为了确保消费者利用相同的电视机从缆线获得的服务能和原本经由空中广播的电视信号一样,CATV业者必须在同轴电缆线再造一个射频(Radio Frequency)频谱(spectrum)。传统的同轴电缆系统大约操作在330 MHz或450 MHz,然而混合光纤/同轴电缆(hybrid fiber/coax HFC)系统则可延展至750 MHz或以上理论上,下载视讯节目信号大约从50 MHz开始,大概是空中广播电视的第二个频道,而5 MHz到42 MHz的部份通常保留给消费者从家中上传资料到头端用。每一个标准的电视频道占用6 MHz (NTSC)或8 MHz (PAL)的射频频谱。所以一个典型的400 MHz同轴电缆系统可播放60(NTSC)或50 (PAL)个电视节目,而750 MHz下载频宽的混合光纤/同轴电缆系统则可提供到125(NTSC)或90 (PAL)个电视频道。

缆线数据机存取网路

利用缆线网路来传送资料服务,我们会利用典型的电视频道(50~750MHz的范围)来传送下行(Downstream)资料到使用者的家中及利用另一频道(5~42 MHz频带)来传送上行(Upstream)资料讯号;至于频道的划分可由有线广播电视业者自行规划。

缆线数据机头端(HeadEnd)系统经由这些频道和使用者家里的缆线数据机(Cable Modem)连结通讯进而成为一个虚拟的区域网路(Virtual local area network)。大部份的缆线数据机(Cable Modem)是外部装置,经由标准的10 Base-T 和个人电脑相连接。

缆线数据机(Cable Modem)存取网路操作在Open System Interconnect(OSI)参考模型的第一层(硬体层)及第二层(媒体存取控制层/逻辑连结层)。所以,第叁层(网路层)协定(如IP流量),可以在缆线数据机(Cable Modem)平台上传送到使用者。

利用64QAM 技术,可在单一的电视频道(NTSC 6MHz;PAL 8MHz)提供下行资料的速度到 30 Mbps ,亦可利用 256 QAM 将速度提升40Mbps。从用户端的上行通道可以利用 QPSK 或 16 QAM 调变技术,提供 320 Kbps 到 10 Mbps 的速度。上行和下的频宽由连接到缆线网路区段上的使用者共享,通常一个缆线网区段会连接 500 至 5000 个家庭。

每一个个别缆线数据机 (Cable Modem) 的用户,可以使用不同的存取速率---- 128 Kbps ~ 几 Mbps ,或者更高,而存取速度的快慢则可决于网路架构、网路上的流量、用户端电脑的处理能力,或是所需服务的品质等。

除了存取速率的优点外,缆线数据机 (Cable Modem) 提供另一项好处:永远处于接通状态。因为缆线数据机 (Cable Modem) 采用非连结性 (connectionless) 的技术,有点类似乙太网路,用户端的电脑永远与网路相通,这意谓着使用者不必经由拨号的程序便能上线,也不必担心忙线。

缆线网际网路服务传送

为了要进入高速网际网路服务市场,有线广播电视业者必须建造一个点对点的IP网路在他们服务的社区,且必须提供数万的用户端来做资料的存取。与其提供直接的网际网路服务,有线广播电视业者可着重于提供高速的企业网路(Intranet)服务,理由如下:理想的话,所有有关的网站及资料库,最好就在头端附近。这种想法可经由Catching或将热门网站的内容复制储存在本地伺服器(local server)来达成。所以,当缆线数据机 (Cable Modem)用户存取页,他将会以最高的速度被绕送到在头端附近的伺服器,而不会进入拥挤的网际网路内.已经有不少的公司提供广范的网路设备及系统整合服务给有线广播电视业者,好让他们能进入高速的网际网路服务的市场.

共享式网路平台效益

大多数的缆线数据机(Cable Modem)系统采取共享式存取平台,与办公室里的区域网路非常类似。因为缆线数据机 (Cable Modem)用户端共享可用频宽,当网路上的使用者增加,则缆线数据机(Cable Modem) 使用者会看到效益越来越差。通常将的频宽分配给200个使用者,每一个使用者会得到大约 135Kbps 的速度,乍看之下几乎与 128Kbps 的 ISDN 相去不远,其实不然。

因为缆线数据机 (Cable Modem)不像电路交换的电话网路,必须给定一个专属的连结,使用者在上线期间不会占据整个固定的频宽。换言之,他们会互相供享网路资源,实际上只有在收到或传送资料的时间内才会使用到频宽。举例来说,有 200 个使用者上线,原本每个使用者平均分配到 150 Kbps 的算法将被取代,成为他们在几微秒的时间内攫取所有可用的频宽来下载资料--可能每秒好几百万位元.

假如由于过高的使用率而造成的拥挤现象开始发生,有线广播电视业者可以轻易地分配另外的 6 MHz (NTSC)或 8 MHz (PAL)的视讯频道来作高速资料服务,依序增加频道的使用。另一选择可以区段分隔硬体缆线网路来增加频宽。如此也可减少每个网路区段的家庭数,也增加可利用频宽的总数给使用者。

有线电视网资源潜力

中国拥有世界上最大的有线电视网络。在中国有线电视网有两大优势:最后“一公里”带宽很宽;覆盖率高于电信网。电信网形成时,只是为了一个业务,那就是打电话,而打电话只要求64K的带宽。所以整个网络的设计也就仅局限于这64K,包括入户的双绞线。这样一来,电信网的“最后一公里”就成了瓶颈,限制了网络速度的提高。尽管电信采取了ISDN(综合服务数字网)、ADSL(非对称线性环路),可以做到10M、8M、6M,但在当前价位上提高的余地不大。再往前走,成本将非常高。而CATV(有线电视)的同轴电缆的带宽很容易可以做到800M,就带宽需求而言,CATV网的最后“一公里”是畅通的。当然,由于有线电视网当初是用于广播式的电视传播,也就是说,是单向的,所以要用于电脑网络,必须对现有的网络前端和用户端进行改造,使之具有双向传输功能。总的来说,有线电视网相对电信网络具有以下优势:

1)高传输速率;

2)线路始终通畅(不用拨号,没有忙音);

3)多用户使用一条线路(包括完整的电视信号);

4)不占用公用电话线;

5)提供真正的多媒体功能。

电缆调制解调器运用

1)电缆调制解调器的速度

电缆调制解调器通过有线电视网络进行高速数据传输,从网上下载信息的速度比现有的电话Modem快1000倍。通过电话线下载需要20min完成的工作,使用电缆调制解调器只需要12s。电缆调制解调器的速度范围可以从500Kbit/s到10Mbit/s。

2)电缆调制解调器的传输模式

a.对称式传输

所谓对称式传输是指上/下行信号各占用一个普通频道8M带宽,上/下行信号可能采用不同的调制方法,但用相同传输速率(2~10Mbit/s)的传输模式。在有线电视网里利用5~30(42)MHz作为上行频带,对应的回传最多可利用3个标准8MHz频带:500~550MHz传输模拟电视信号,550~650MHz为VOD(视频点播),650~750MHz为数据通讯。利用对称式传输,开通一个上行通道(中心频率26MHz)和一个下行频道(中心频率251MHz)。上行的26MHz信号经双向滤波器检出,输入给变频器,变频器解出上行信号的中频(36~44MHz)再调制为下行的251MHz,构成一个逻辑环路,从而实现了有线电视网双向交互的物理链路。

b.非对称式传输

由于用户上网发出请求的信息量远远小于信息下行量,而上行通道又远远小于下行通道,人们发现非对称式传输能满足客户的要求,而又避开了上行通道带宽相对不足的矛盾。

频分复用、时分复用的配合加之以新的调制方法,每8MHz带宽下行速率可达30Mbit/s,上行传输速率为512Kbit/s或2?048Mbit/s。很明显,非对称式传输最大的优势在于提高了下行速率,并极大地满足网上数以万计的客户的应用申请,相对应的非对称式传输的前端设备是较为复杂的,它不仅有对称式应用中的数字交换设备,还必须有一个线缆路由器(Cable Router),才能满足网络交换的需要。而对称式传输中执行的IEEE802.4令牌网协议在同一链路用户较少时还能达到设计速率,当用户达到一定数量时,其速率迅速下降,不能满足客户多媒体应用的需求。此时,非对称式传输就比对称式传输有了更多更大的应用范围,它可以开展电话、高速数据传递、视频广播、交互式服务和娱乐等服务,它能最大限度地利用可分离频谱,按客户需要提供带宽。

c.传输模式的选择

很明显,不同的用途,不同的范围和规模,就应该注意选择不同的传输模式和不同的产品。写字楼、办公楼、学校和小区主要是用网络传输数据、资料以及Internet接入,那么就选择对称模式的电缆调制解调器,而且该类产品易用、易维护、价格低廉。如果网络结点设计合理的话(500个电视终端,200个数据用户),利用有线电视网,采用对称式传输模式建立一个企业的Intranet通信平台也是可行的。

3)电缆调制解调器的种类

随着电缆调制解调器技术的发展,出现了不少的类型。按不同的角度划分,大概可以分为以下几种。

a.从传输方式的角度,可分为双向对称式传输和非对称式传输。

对称式传输速率为2~4Mbit/s、最高能达到10Mbit/s。非对称式传输下行速率为30Mbit/s,上行速率为500Kbit/s~2.56Mbit/s。

b.从数据传输方向上看,有单向、双向之分。

c.从网络通信角度上看,Modem可分为同步(共享)和异步(交换)两种方式。同步(共享)类似以太网,网络用户共享同样的带宽。当用户增加到一定数量时,其速率急剧下降,碰撞增加,登录入网困难。而异步(交换)的ATM技术与非对称传输正在成为电缆调制解调器技术的发展主流趋势。

d.从接入角度来看,可分为个人电缆调制解调器和宽带电缆调制解调器(多用户),宽带电缆调制解调器可以具有网桥的功能,可以将一个计算机局域网接入。

e.从接口角度分,可分为外置式、内置式和交互式机顶盒。

外置电缆调制解调器的外形象小盒子,通过网卡连接电脑,所以连接电缆调制解调器前需要给电脑添置一块网卡,这也是外置电缆调制解调器的缺点。不过好处是可以支持局域网上的多台电脑同时上网。电缆调制解调器支持大多操作系统和硬件平台。内置电缆调制解调器是一块PCI插卡。这是最便宜的解决方案。但是也带来了不便之处,首先,他只能用于桌上型电脑,MAC机和便携机也可以使用,但是接口卡需要有不同的设计,由于技术或者管理上的原因,有些国家根本不能使用内置的cable modem。

交互式机顶盒的主要功能是在频率数量不变的情况下提供更多的电视频道。通过使用数字电视编码(DVB),交互式机顶盒提供一个回路,使用户可以直接在电视屏幕上访问网络,收发E-Mail等。CATV网上的加密,因为有线电视网属于共享资源,所以电缆调制解调器需要具有加密和解密功能。当给数据加密时,电缆调制解调器对数据进行编码和扰码,使得黑客盗取数据没那么容易。当通过Internet发送数据时,本地电缆调制解调器对数据进行加密,有线电视网服务器端的电缆调制解调器对数据解密,然后送给Internet。接收数据时则相反,有线电视网服务器端的电缆调制解调器加密数据,送上有线网,然后本地电脑上的电缆调制解调器解密数据。与Netscape的Navigator和Microsoft的Internet Explorer的加密不同的是,电缆调制解调器只是在有线电视网两端对数据加密/解码,数据通过Internet时是不被加密的。

4)电缆调制解调器的标准

电缆调制解调器主要存在两种不同的标准,一个是由美国有线电视运营公司成立的行业组织MCNS(多媒体线缆网络系统)起草的、已被ITU批准的J112标准;还有一个是IEEE802.14,此标准正在制订中。从技术上讲IEEE802.14比ITU-J112先进。

5)电缆调制解调器的连接使用

电缆调制解调器与传统的用电话线(标准双绞线)连接电话和电脑调制解调器的情况稍显复杂。最基本的有线电视网络结构包括5个重要部分:前端设备、干线系统、邻近分配系统、入户系统和终端设备。首先你要把电缆调制解调器连接到墙上的电视插孔,再把电视机和电脑连接到电缆调制解调器。在有线电视网的另一端是电缆调制解调器终端系统(CMTS-Cable Modem Termination System),作为网络前端。当然,安装网卡时必须同时安装TCP/IP协议。电话 Modem一般接在电脑的串行通讯口上。近10来年,串口一直是电脑的标准配置,但串口原本是用来作低速通讯的,不能支持电缆调制解调器这样的高速设备。所以电缆调制解调器通过网络适配卡与电脑相连。网卡插在PCI,ISA或PCMCIA插槽中。网卡提供的速度比串口快得多。

6)电缆调制解调器工作原理

电缆调制解调器从下行的模拟信号中划出6MHz频带,将信号转化为符合以太网协议的格式,从而与电脑实现通讯。用户需要给电脑配置以太网卡和相应的网卡驱动程序。同轴电缆中的6MHz频带被用来提供数据通讯。电视和电脑可以同时使用,互不影响。有线电视网络实际运行过程。射频信号在用户和前端之间沿同轴电缆上行或下行。上行和下行信号共享6MHz频带,但是调制在不同的载波频率上以避免相互干扰。一般速率下行为10Mbit/s,上行速率为786Kbit/s。通过上下行协议及相应的软硬件配置保证其通信质量。

有线电视前端在上行方向,电缆调制解调器从电脑接收数据包,把它们转换成模拟信号,传给网络前端设备。该设备负责分离出数据信号,把信号转换为数据包,并传给Internet服务器。同时该设备还可以剥离出语音(电话)信号并传给交换机。为实现上述功能,需要将单向有线电视网转变成双向光纤-同轴电缆混合网,以便实现宽带应用。除了前端设备和现存的下行信号放大器外,还需要在干线上插入上行信号放大器。

国外的发展情况

利用电缆调制解调器在有线电视混合光缆同轴网上传送数据,用其做为互联网的宽带接入网是非常诱人的,有着良好的发展前景。原因是这种方法成本低、频带宽,是现有有线电视网宽带技术发展的热点。在美国有50个地方做试验网,而像加州Ahome网已开始商业运行。在1996年12月举行的96Westernshow有线电视大展上,有20家公司推出电缆调制解调器产品。一些大公司如DEC、Philips等采用多家公司的产品做系统集成服务,用HFC网做接入网的互联网系统的操作支撑系统(OSS)软件也已出现。总之,电缆调制解调器经过几年的发展已开始进入实用期。已发展的、供家庭用户接入互联网使用的电缆调制解调器大多是双向不对称的。一般来说,下行占用一个NTSC 6MHz通道,采用64QAM调制提供高达30Mbit/s的传送速率,而上行通道则在5~40MHz带中选择干扰较低的位置,占用1~2MHz带宽,用QPSK(或BPSK)调制提供500Kbit/s~2Mbit/s传送速率,第一代电缆调制解调器的标准大致是这样。典型产品如Motorola的Cybersurfr电缆调制解调器,下行30Mbit/s,上行786Kbit/s(占用600kHz带宽)。IBM则推出其双向的Cableonline系统。它的下行速率为30Mbit/s,上行为2.5Mbit/s。这种电缆调制解调器输入按照以太网协议连接用户,输出为ATM信号,在前端可用ATM交换机进行交换,解决了对来自多个光结点的数据进行交换的问题。上行噪声是影响电缆调制解调器性能的主要因素。为此不少公司在探索除QPSK(BPSK)以外的新的有高抗干扰能力的调制方法,在这方面1996年也有新突破。Terayon公司采用S-CDMA同步码分多址法取得很好效果,这种电缆调制解调器能工作在一个由8个光结点连接3万户居民的小区中,估计今后第二代电缆调制解调器会采用新的上行调制方法增强抗干扰能力。

中国CATV网开发情况

中国正在建更大规模的HFC宽带接入试验网。863计划通信主题也设立了全功能服务网课题。中国数据广播中心与中国科学院科健集团合资成立的广通联数据广播网络有限责任公司主营推广电缆调制解调器互联网高速接入业务。

在从现有的窄带接入技术向最终光接入解决方案进化的过程中,会有许多非常有生命力的过渡技术,其中,基于电话线的ADSL技术和基于有线电缆的Cable Modem技术是最有潜力的。

ADSL具有上下行速率不对称的特性,因此其应用主要适用于为用户提供上网服务以及VOD点播等业务,而不适用于局域网互联业务。提供因特网接入业务采用“ADSL+ATM/以太网”的方式。用户端配置ADSL远端设备,局方配置DSLAM(ADSL局端设备),它们之间用普通电话双绞线进行连接。ADSL远端设备为用户PC机提供以太网接口,DSLAM通过ATM或快速以太网与ISP相连。通过该网络,用户就可以实现宽带接入因特网。DSLAM可以放置在ISP机房,通过接入网接入到ISP;也可以直接放置在ISP机房,与ISP接入平台利用局域网直接相连。利用ADSL提供VOD视频点播业务则可以采用“ADSL+ATM”的方式。

Cable Modem也是一种上下行带宽不对称的技术,适合提供上网及VOD这两种业务。其中,提供因特网接入业务可以采用“HFC+Cable Modem+以太网/ATM”的方式。局端需要配备一台HFC头端设备,通过ATM或快速以太网与因特网进行互联,并且完成信号的调制和混合功能。数据信号通过光纤同轴混合网(HFC)传至用户家中,Cable Modem完成信号的解码、解调等功能,并通过以太网端口将数字信号传送到PC机。反过来,Cable Modem接收PC机传来的上行信号,经过编码、调制后通过HFC传给头端设备。

ADSL和Cable Modem两种技术组网都能够提供多种业务,并且都能够基本满足宽带业务的需要。ADSL在带宽上要低于Cable Modem,但是,利用Cable Modem和HFC进行组网在稳定性、可靠性、供电以及运行维护体制上都存在一些问题。此外,由于其网络线路带宽是共享的,在用户达到一定规模后实际上无法提供宽带数据业务,用户分享到的带宽是非常有限的。以下是笔者对这两项技术进行的比较。

安全性。由于Cable Modem所有用户的信号都是在同一根同轴电缆上进行传送的,因此有被搭线窃听的危险。解决搭线窃听问题首先要保护线缆,其次是要了解线路初始化过程中确立好的设置参数,后一点在技术上是难以解决的。而ADSL则不会有此问题。

可靠性。由于CATV是一个树状网络,因此极容易造成单点故障,如电缆的损坏、放大器故障、传送器故障都会造成整个节点上的用户服务的中断。而ADSL利用的是一个星状的网络,一台ADSL设备的故障只会影响到一个用户。

稳定性。Cable Modem的前期用户一定可以享受到非常优质的服务,这是因为在用户数量很少的情况下线路的带宽以及频带都是非常充裕的。但是,每一个Cable Modem用户的加入都会增加噪声、占用频道、减少可靠性以及影响线路上已有的用户服务质量。这将是Cable Modem迫切需要解决的一大难题。ADSL则不会受接入网中用户数以及流量的影响。当然,如果DSLAM的出口带宽小于所有用户可能需要的总带宽,就会在高峰时间出现拥塞,但这时只要通过提高出口带宽就可以解决这一问题。

兼容性。尽管Cable Modem与ADSL都已经出台了技术规范和标准,但是不同厂家的产品都还无法进行兼容,因此给市场扩大带来一定的困难。

组网成本。在组网成本上,ADSL设备成本显然高于Cable Modem,但是后者需要对HFC改造完成后才能够应用。带宽。这显然需要更换所有不符合要求的同轴电缆。同时,要实现双向的HFC需要更换有线电视网上使用的单向放大器,这一部分改造费用也是相当高的。

线缆调制解调器是一种将数据终端设备(计算机)连接到有线电视网,以使用户能够进行数据通信访问Internet等信息资源的设备。随着网络应用的扩大,线缆调制解调器发展迅速,主要用于邮电电视网进行数据传输。其主要功能是将数字信号调制到射频以及将射频信号中的数字信息解调出来。除此之外,线缆调制解调器还提供标准的以太网接口,部分地完成网桥、路由器、网卡和集线器的功能,因此,它比传统的PSTN调制器复杂得多。


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